Copolymerisate ungesättigter Carbonsäuren, Verfahren zur Herstellung derselben und ihre Verwendung

Abstract

 Copolymerisate ungesättigter Carbonsäuren mit alkali­schen Lösungen zur Enolatbildung befähigter Monosaccha­ride liefern Polycarboxylate, die ausgezeichnet als Sequestrierungsmittel, Komplexbildner und Co-Builder in Wasch- und Reinigungsmitteln geeignet sind.

Beschreibung

[0001] Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind Copolymeri­sate ungesättigter Carbonsäuren mit anderen ungesättig­ten Verbindungen, Verfahren zu ihrer Herstellung sowie ihre Verwendung als Sequestrierungsmittel, Komplexbild­ner und Co-Builder in Wasch- und Reinigungsmitteln.

[0002] Copolymerisate ungesättigter Carbonsäuren mit anderen ungesättigten Verbindungen sind bekannt, beispielsweise aus der DE-PS 19 04 940. Hierin sind Copolymerisate von Acrolein mit Acrylsäure beschrieben, welche als Poly­carboxylate Anwendung finden können als Komplexbildner.

[0003] Andere Polycarboxylate sind bekannt als Copolymerisate verschiedener ungesättigter Carbonsäuren. So sind ins­besondere Copolymerisate von Acrylsäure, Methacrylsäure und Maleinsäure sowie ihre Verwendung als Zusätze fur Wasch- und Reinigungsmittel bekannt aus der DE-PS 26 16 261, der DE-OS 29 10 133, der DE-OS 29 36 984, der DE-­OS 32 33 775, der DE-OS 32 33 777, der DE-OS 34 26 368 und der DE-OS 36 04 223.

[0004] Diese Polycarboxylate sind durch die Einführung phos­phatarmer und phosphatfreier Waschmittel an Bedeutung gestiegen; vgl. Diehl, "Phosphatfreies Waschen", Fette und Öle, Fettderivate, Folgeprodukte, 112 (1986), Sei­ten 489 bis 492 sowie Zini, "The Use of Acrylic Based Homo- and Copolymers as Detergent Additives", Chemie­produkte: Haushalt, Gewerbe, Industrie 83 (1987), Sei­ten 45 bis 48.

[0005] Ein erheblicher Nachteil der bisher verwendeten Poly­carboxylate besteht darin, daß sie in Kläranlagen bio­logisch kaum abbaubar sind. Sie werden jedoch durch Absorption an den Klärschlamm eliminiert und gelangen somit nicht in die Gewässer. Ähnliche Produkte werden nämlich seit Jahren bereits zur Klärschlammflokulation eingesetzt.

[0006] Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe ge­stellt, Polycarboxylate zu entwickeln, welche eine ver­besserte biologische Abbaubarkeit aufweisen und dabei preiswert, einfach und zuverlässig hergestellt werden können.

[0007] Diese Aufgabe konnte jetzt überraschend einfach gelöst werden durch Copolymerisate ungesättigter Carbonsäuren, die erhältlich sind durch Umsetzung von alkalischen Lösungen zur Enolatbildung befähigter Monosaccharide mit den ungesättigten Carbonsäuren in Gegenwart von radikalischen Initiatoren, vorzugsweise Peroxiden, bei Temperaturen zwischen 60 und 110°C.

[0008] Dieses Ergebnis war keinesfalls vorherzusehen, da al­kalische Lösungen zur Enolatbildung befähigter Monosac­charide bekanntlich sehr instabil sind und zur raschen Zersetzung dieser Lösungen führen. Es wurde jetzt ge­funden, daß diese Lösungen unter den erfindungsgemäßen Bedingungen relativ stabil sind und sich beispielsweise so lange nicht oder nur wenig verfärben, wie noch die Polymerisation bzw. Copolymerisation mit den ungesät­tigten Carbonsäuren stattfindet. Erst wenn die ungesät­tigten Carbonsäuren durch Polymerisation aus der Lösung verschwunden sind, beginnt die übliche Zersetzung und Verfärbung der alkalischen Zuckerlösungen.

[0009] Die erfindungsgemäßen Copolymerisate können in einfa­cher Weise aus dem Reaktionsgemisch entfernt werden, nämlich durch einfaches Ansäuern, wodurch sie dann aus­gefällt werden oder sich als separate Phase abscheiden.

[0010] Die angesäuerten Mutterlaugen enthalten in erster Linie nicht umgesetzte Mengen an Monosacchariden. Diese kön­nen wiedergewönnen und wieder eingesetzt werden. In vielen Fällen kann sogar auf diese Abtrennung verzich­tet werden und das Gesamtreaktionsgemisch erfindungs­gemäß verwendet werden.

[0011] Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Copolyme­risate ist, daß die Monosaccharidkomponente preiswert aus natürlich nachwachsenden Rohstoffen gewonnen wird und somit nur bezüglich der ungesättigten Carbonsäuren auf fossile Rohstoffe zurückgegriffen werden muß.

[0012] Überraschend war weiterhin der Befund, daß die erfin­dungsgemäßen Copolymerisate, bezogen auf den Anteil an ungesättigter Carbonsäure, ein erheblich gesteigertes Calcium- und Magnesiumbindungsvermögen aufweisen. Die Monosaccharidkomponente in den Copolymerisaten trägt somit in erheblichem Maße zum Calcium- und Magnesium­bindungsvermögen bei.

[0013] Die neuen Copolymerisate sind somit in besonderem Maße geeignet, als Sequestrierungsmittel, Komplexbildner und Co-Builder in Wasch- und Reinigungsmitteln eingesetzt zu werden.

[0014] Die Eigenschaften der Copolymerisate können in relativ weiten Grenzen variiert werden. Vorzugsweise werden 20 bis 65% Monosaccharid mit 35 bis 80% ungesättigter Mo­nocarbonsäure umgesetzt.

[0015] Zur Enolatbildung befähigte Monosaccharide sind in er­ster Linie Glukose, Fruktose, Mannose, Maltose, Xylose und Galaktose. Besonders bevorzugt ist natürlich die Glukose, da sie besonders preiswert und mengenmäßig nahezu unbeschränkt zur Verfügung steht. Sie kann auch in relativ ungereinigter Form erfindungsgemäß einge­setzt werden, da die Verunreinigungen nicht oder in nicht störender Form in das Copolymerisat eingebaut werden.

[0016] Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise so durchgeführt, daß zu der alkalischen Lösung des zur Enolatbildung befähigten Monosaccharids die ungesättig­te Carbonsäure und der radikalische Initiator zugegeben werden und dann langsam erhitzt wird. Oberhalb von 60°C springt die Reaktion an und wird dann oftmals so hef­tig, daß die Temperatur über 110°C hinausgeht. Dies sollte nach Möglichkeit vermieden werden, da es hierbei zu einer unerwünschten stärkeren Zersetzung des noch nicht in das Copolymerisat eingebauten Zuckers kommt.

[0017] Als ungesättigte Carbonsäuren kommen in erster Linie die monoethylenisch ungesättigten Monocarbonsäuren mit 3 bis 10 Kohlenstoffatomen in Frage, dabei insbesondere die Acrylsäure und Methacrylsäure. Prinzipiell können aber auch andere ungesättigte Carbonsäuren wie Malein­säure, Itakonsäure etc. eingesetzt werden.

[0018] Als radikalische Initiatoren werden insbesondere Per­oxide eingesetzt. Besonders einfach ist die Verwendung von Wasserstoffperoxid.

[0019] Das Calciumbindevermögen der erfindungsgemäßen Copoly­merisate erfolgt beispielsweise durch Trübungstitration mit Calciumacetat. Dazu löst man 1 g des zu prüfenden Copolymerisats in 100 ml destilliertem Wasser auf und versetzt dieses dann mit 10 ml 2%-iger Natroncarbonat­lösung. Der pH-Wert dieser Lösung wird auf 11 einge­stellt und wahrend der Titration konstant gehalten. Man titriert dann mit 4,4%-iger Calciumacetatlösung, bis eine deutliche konstante Trübung auftritt, welche nephelometrisch bestimmt wird. Die Zugabe der Calcium­acetatlösung erfolgt in Intervallen von 30 Sekunden mit jeweils 1 ml.

[0020] In den nachfolgenden Beispielen sind einige typische Copolymerisate und ihre Herstellung beschrieben.

Beispiel 1

[0021] 1 mol Glukose wird in 30%-iger Natronlauge (3 mol NaOH in Wasser gelöst) unter Rühren bei 0°C gelöst. Dann werden 0,07 mol H₂O₂ zu dieser Lösung gegeben. Die Tem­peratur bleibt bei 0°C. Danach läßt man 3 mol Acrylsäu­re zu der alkalischen Zucker-H₂O₂-Lösung zutropfen. Hierbei steigt die Temperatur auf ca. 75°C an. Es wird weiter auf 85°C aufgeheizt. Von nun an verläuft die Reaktion exotherm und die Temperatur steigt bis auf 105°C an. Nach Erreichen des Temperaturmaximums wird sofort abgekühlt auf 20°C. Es wird eine hochviskose Lösung erhalten. Das Calciumbindevermögen, bezogen auf den Wirkstoffgehalt, liegt bei 450 mg Calciumcarbonat/g Wirksubstanz. Der Wirkstoffgehalt der Lösung liegt bei 48% und wird durch Ansäuern ermittelt.

Beispiel 2

[0022] 3 mol Acrylsäure werden mit 20%-iger Natronlauge (3 mol Natronlauge in Wasser gelöst) neutralisiert. 1 mol Glu­kose wird in 200 g Wasser gelöst. Zu dieser Lösung wird 1 mol H₂O₂ hinzugegeben. In einem Reaktionsgefäß werden gleichzeitig 200 g Wasser vorgelegt und auf 85°C er­hitzt. Die beiden Lösungen läßt man während ca. 90 Mi­nuten zutropfen. Der pH-Wert des Reaktionsmediums wird während der Zutropfphase konstant auf pH 9,0 gehalten. Nach Zugabe der gesamten Menge steigt die Temperatur noch einmal auf ca. 95 bis 103°C. Danach wird sofort abgekühlt. Es wird eine niedrigviskose polymere Lösung erhalten. Der Wirkstoffgehalt beträgt 32%. Das Calcium­bindevermögen beträgt 670 mg Calciumcarbonat/g Wirk­stoffsubstanz.

Beispiel 3

[0023] 72 g Acrylsäure werden mit 200 g 20%-iger Natronlauge neutralisiert. 100 g Glukose werden in 100 g Wasser gelöst. Im Reaktionsgefäß werden 100 g Wasser vorge­legt. In die Glukoselösung werden 57 g H₂O₂ 30%-ig hin­zugegeben. Das Wasser im Reaktionsgefaß wird auf 85°C erhitzt. Die Lösungen läßt man über 50 Minuten hinzu­tropfen. Die Reaktionstemperatur steigt zwischenzeit­lich auf 97°C an. Nach Beendigung der Tropfzeit wird gewartet, bis die Temperatur nicht weiter ansteigt. Der pH-Wert wird während der gesamten Reaktion auf 9,0 kon­stant gehalten. Nach Beendigung der Reaktion wird so­fort abgekühlt (ca. 55 Minuten). Der Wirkstoffgehalt dieser polymeren Lösung beträgt 32%. Das Calciumbinde­vermögen beträgt 550 mg Calciumcarbonat/g Wirksubstanz.

Beispiel 4

[0024] 36 g Acrylsäure werden mit 100 g 20%-iger Natronlauge neutralisiert. 100 g Glukose werden in 100 g Wasser gelöst. Hierzu werden 57 g 30%-iges H₂O₂ hinzugegeben. In dem Reaktionsgefäß werden 95 g Wasser vorgelegt und auf 84 bis 85°C erhitzt. Die Reaktionslösungen läßt man über ca. 40 Minuten langsam zutropfen. Nach Beendigung des Zutropfens steigt die Temperatur auf maximal 97°C an. Während der gesamten Reaktionszeit wird der pH-Wert auf 9,3 bis 9,5 konstant gehalten. Nach Erreichen des Temperaturmaximums wird sofort gekühlt. Es wird eine polymere Lösung mit einem Wirkstoffgehalt von 30% er­halten. Das Calciumbindevermögen dieser Lösung beträgt 430 mg Calciumcarbonat/g Wirksubstanz.

Beispiel 5

[0025] 144 g Acrylsäure werden mit 400 g 20%-iger Natronlauge neutralisiert. 100 g Glukose werden in 100 g Wasser gelöst. Hierzu läßt man 57 g 30%-iges H₂O₂ zutropfen. In dem Reaktionsgefäß werden 240 g Wasser vorgelegt und auf 80 bis 85°C erhitzt. Die Reaktionslösungen läßt man über ca. 50 Minuten zutropfen bei einem konstanten pH-­Wert von 9,1. Nach Zugabe der Lösungen steigt die Tem­peratur auf maximal 97°C (ca. 10 Minuten Nachreaktions­zeit). Danach wird sofort wieder gekühlt. Man erhalt eine polymere Lösung mit einem Wirkstoffgehalt von 29%. Das Calciumbindevermögen beträgt 620 mg Calciumcarbo­nat/g Wirksubstanz.

Beispiel 6

[0026] Im Reaktionsgefäß werden 100 g Glucose, gelöst in 200 g Wasser, vorgelegt. 195 g Itaconsäure werden mit 400 g 30%-iger Natronlauge neutralisiert. Das Reaktionsgefäß wird mit der Glucoselösung auf eine Reaktionstemperatur von 80°C aufgeheizt. In die aufgeheizte Glucoselösung läßt man über 110 Minuten die neutralisierte Itaconsäu­relösung zutropfen. Gleichzeitig läßt man eine Lösung von 57 g 30%-igem H₂O₂, gelöst in 100 g Wasser, zutrop­fen. Der pH-Wert wird wahrend des ganzen Versuches kon­stant auf 8,9 gehalten. Die Reaktionstemperatur steigt zwischenzeitlich auf 87°C an. Nach Beendigung der Tropfzeit wird die Lösung sofort abgekühlt. Der Wirk­stoffgehalt dieser polymeren Lösung beträgt 35%. Das Calciumbindevermögen beträgt 250 mg Calciumcarbonat/g Wirksubstanz. Die biologische Abbaubarkeit beträgt 80%.

Beispiel 7

[0027] 129 g Fructose werden in 171 g Wasser gelöst und im Reaktionsgefäß vorgelegt. 108 g Acrylsäure werden mit 300 g 20%-iger Natronlauge neutralisiert. Die Fructose­lösung im Reaktionsgefäß wird auf eine Temperatur von 80°C gebracht. Während einer Zeit von 80 Minuten läßt man langsam die neutralisierte Acrylsäurelösung zutrop­fen. Gleichzeitig läßt man 57 g einer 30%-igen H₂O₂-­Lösung zutropfen. Während der Versuchszeit wird der pH-Wert auf 9,0 gehalten. Die Reaktionstemperatur steigt bis maximal 90°C an. Nach Beendigung des Zutrop­fens der Reaktionslösungen (Acrylsäure und H₂O₂) wird das Reaktionsgemisch im Reaktionsgefäß sofort abge­kühlt. Der Wirkstoffgehalt der polymeren Lösung beträgt 35%. Das Calciumbindevermögen beträgt 550 mg Calcium­carbonat/g Wirksubstanz. Die biologische Abbaubarkeit beträgt 88%.

Beispiel 8

[0028] 90 g Mannose werden in 210 g Wasser gelöst und im Reak­tionsgefäß vorgelegt. 108 g Acrylsäure werden mit 300 g 20%-iger Natronlauge neutralisiert. Das Reaktionsgefäß wird mit der Mannoselösung auf 80°C erhitzt. Während einer Zeit von 60 Minuten läßt man die neutralisierte Acrylsäure und gleichzeitig 57 g 30%-iges H₂O₂ zutrop­fen. Der pH-Wert wird während der Versuchszeit auf 9,0 gehalten. Die Reaktionstemperatur steigt auf maximal 88°C an. Nach Beendigung der Zugabe der Acrylsäure und des Wasserstoffperoxids wird das Reaktionsgemisch fort abgekühlt. Der Wirkstoffgehalt dieser polymeren Lösung beträgt 30%. Das Calciumbindevermögen beträgt 550 mg Calciumcarbonat/g Wirksubstanz. Die biologische Abbaubarkeit beträgt 80%.

Beispiel 9

[0029] 100 g Glucose werden in 200 g Wasser gelöst und im Reaktionsgefäß vorgelegt. Die Glucoselösung wird auf 80°C aufgeheizt. Zu dieser Lösung läßt man langsam 130 g Methacrylsäure, neutralisiert mit 300 g 20%-iger Natronlauge, über einen Zeitraum von 150 Minuten zu­tropfen. Gleichzeitig läßt man 57 g 30%-iges H₂O₂ zu­tropfen. Die Reaktionstemperatur steigt bis auf maximal 93°C. Der pH-Wert wird während der ganzen Versuchszeit konstant bei 9,0 gehalten. Nach Beendigung des Zutrop­fens der Reaktanden wird das Reaktionsgemisch sofort abgekühlt. Man erhält eine polymere Lösung mit einem Wirkstoffgehalt von 34%. Das Calciumbindevermögen be­trägt 650 mg Calciumcarbonat/g Wirksubstanz. Die bio­logische Abbaubarkeit beträgt 85%.

[0030] Zur Strukturaufklärung der erfindungsgemäßen Copolyme­risate wurden die folgenden Untersuchungen mit Gluco­se/Acrylsäure-Copolymerisaten durchgeführt:

a) Schubstangen-Pyrolyse-Massenspektroskopie

b) Protonen-NMR und 13-C-NMR

ad a)

[0031] Nach dem Einbringen der Substanzen mit der Schubstange ins Masenspektrometer zeigt sich beim Aufheizen bis 300°C im Spektrum kein Massesignal. Das heißt, die Sub­stanzen zeigen bis 300°C keine Zersetzung, die mit ei­nem wesentlich molekularen Zerbrechen und Abspalten von typischen Massen, wie sie beim Erhitzen von Glucose­estern oder Acrylsäureestern auftreten, verbunden ist.

[0032] Eine Wiederholung der massenspektroskopischen Untersu­chung durch chemische Ionisation zeigte das gleiche leere Spektrum bis zu einer Temperatur von 300°C.

ad b)

[0033] Kernresonanzspektrometrische Untersuchungen der Sub­stanzen zeigen Signale von Acrylsäureeinheiten bei 1,5 bis 2,5 ppm, von Glucoseeinheiten bei 3,4 bis 4,2 ppm. Ester-Einheiten sind nicht erkennbar. Demnach liegt eine C-C-Verknüpfung zwischen Acrylsäure und Glucose­einheiten vor. Es handelt sich nicht um Zuckerester. Dies geht auch daraus hervor, daß das erfindungsgemäße Verfahren im wäßrigen Medium mit überschüssigem Wasser durchgeführt wird, während Zuckerester nur in wasser­freiem Medium durch Umsetzung mit Säurechloriden oder Säureanhydriden entstehen. Zuckerester besitzen auch nicht die waschmittelwirksamen Eigenschaften der erfin­dungsgemäßen Verbindungen, da die für die calcium- und magnesiuminhibierende Wirkung notwendigen Carboxylgrup­pen fehlen.

[0034] In der nachstehenden Tabelle sind zusammengestellt das Calcium-Bindevermögen und der Grad der biologischen Abbaubarkeit verschiedener Chargen der Copolymerisate aus Acrylsäure und Glucose, verglichen mit einem han­delsüblichen Polyacrylat und einem Polyacrylat gemischt mit Glucose im Verhältnis 2:1. Aus dieser Tabelle ist ersichtlich, daß die erfindungsgemäßen Produkte einen sehr hohen biologischen Abbaubarkeitsgrad gegenüber handelsüblichen Polyacrylaten haben. Die Erhöhung des biologischen Abbaubarkeitsgrades bei dem Zusatz von Glucose zur Polyacrylsäure ist nur auf die Glucose be­schränkt und entspricht ihrem Anteil.

Ansprüche

1. Copolymerisate ungesättigter Carbonsäuren mit anderen ungesättigten Verbindungen, erhältlich durch Umsetzung von alkalischen Lösungen zur Enolatbildung befähigter Monosaccharide mit den ungesättigten Carbonsäuren in Gegenwart von radikalischen Initiatoren, vorzugsweise Peroxiden, bei Temperaturen zwischen 60 und 110°C.

2. Copolymerisate gemäß Anspruch 1, erhältlich durch Um­setzung von alkalischen Lösungen von Glukose bei pH-­Werten von 8 bis 10 mit Acrylsäure und/oder Methacryl­säure in Gegenwart von Wasserstoffperoxid.

3. Verfahren zur Herstellung von Copolymerisaten ungesät­tigter Carbonsäuren mit anderen ungesättigten Verbin­dungen, dadurch gekennzeichnet, daß alkalische Lösungen von zur Enolatbildung befähigten Monosacchariden mit den ungesättigten Carbonsäuren in Gegenwart radikali­scher Initiatoren, vorzugsweise Peroxiden, bei Tempera­turen zwischen 60 und 110°C umgesetzt werden.

4. Verwendung der Copolymerisate gemäß Ansprüchen 1 oder 2 als Sequestrierungsmittel, Komplexbildner und Co-Buil­der in Wasch- und Reinigungsmitteln.